Simulações de incêndio com o modelo de campo FDS

Embora existam várias aplicações informáticas que abordam esta questão com modelos de campo, uma das mais utilizadas é o FDS (Fire Dynamics Simulator) desenvolvido pelo NIST (National Institute of Standards and Technology, EUA) que é de acesso gratuito. Para facilitar a entrada e saída de dados a partir de um ambiente gráfico, existe uma aplicação paga chamada Pyrosim que utiliza o FDS como motor de cálculo.

Introdução de dados

• Representação geométrica: O primeiro passo consiste em introduzir a geometria em 3D do edifício ou sector sob análise, já que estabelece o contorno com as suas aberturas e distribuição de elementos interiores no qual se simulará o incêndio e se estudará o desenvolvimento no tempo. O Pyrosim facilita a importação de ficheiros em CAD. Aos elementos físicos podem ser atribuídos materiais que determinarão o seu comportamento térmico, os quais se definem como superfícies com as suas correspondentes espessuras e que não têm obrigatoriamente de coincidir com a grossura representada fisicamente do elemento.
• Cargas de fogo: é necessário introduzir no modelo os elementos combustíveis existentes nos recintos onde se desenvolva ou possa estender-se o incêndio. Estes suporão as cargas de fogo principais que alimentem e determinem a sua evolução. O programa costuma dispor de uma biblioteca dos materiais mais habituais com as suas principais características relativas ao seu comportamento face ao fogo: entalpias de combustão e vaporização, reacções de pirólise, taxas de libertação de calor ou de perda mássica, produtos resultantes da combustão, e um longo etcétera.
• Hipótese do cenário: o início e desenvolvimento de um incêndio depende da confluência de uma série de circunstâncias que podem variar para um mesmo cenário. Há umas condições iniciais como a temperatura ambiente interior e exterior, o vento, etc. Depois estão condições que podem variar no tempo: recintos a incluir no processo de simulação, selecção de elementos iniciadores do incêndio, estado de abertura de vãos entre recintos ou ao exterior, iniciação do funcionamento de sistemas de ventilação e de extinção, descarga do agente extintor (água ou gás)…
• Curva do incêndio: definir a potência que terá o incêndio no tempo é o elemento fundamental da simulação, pois acaba por ser o “motor” que gera a chama e as elevadas temperaturas e velocidades dos gases, de modo que subestimar esta potência conduz a resultados inferiores aos possíveis num cenário real. A curva pode definir-se como uma superfície de “queimador” que terá os parâmetros de potência no tempo que lhe prefixemos, ou pode deixar-se que o programa vá calculando a propagação a novos materiais à medida que numa célula onde se encontrem se alcance a temperatura de ignição. Assim mesmo, pode definir-se uma extinção do fogo, seja por temperatura ou por um coeficiente de extinção experimental.

• Malha das células: a discretização no espaço afecta a precisão dos resultados, pois a menor tamanho de célula maior exactidão. Como contrapartida, isto incide directamente no tempo necessário para calcular a simulação e na memória necessária para a levar a cabo. Valores de 15, 20 ou 25 cm de tamanho de célula consideram-se suficientemente precisos para analisar o comportamento do fumo do incêndio em grandes volumes. Em fases iniciais do estudo podem utilizar-se valores maiores para reduzir o tempo da simulação.
• Duração da simulação: determina o tempo real da evolução do incêndio a calcular e que começa com a ignição das cargas de fogo dispostas como elementos iniciadores do mesmo. O motor de cálculo FDS analisa tanto o comportamento do fumo como do fogo do incêndio, permitindo obter dados para o estudo da evacuação dos ocupantes do edifício, ou as temperaturas que possam afectar elementos estruturais.

Que dados se obtêm após o processo de simulação?

Uma vez que o motor de cálculo FDS finaliza o processo de simulação, o programa proporciona uma série de parâmetros em folhas de dados (.csv) que podem visualizar-se graficamente em forma de curvas no tempo. Entre os distintos dados que se podem obter encontram-se:

• Activação de detectores de fumo ou calor.
• Activação de aspersores.
• Temperaturas na camada de fumos.
• Altura livre de fumos.
• Temperatura em aspersores ou detectores de calor.
• Grau de obscurecimento dos fumos em detectores de fumo.
• Fluxos através de aberturas.
• Temperaturas nas superfícies e o interior de elementos estruturais no tempo.

Também é possível visualizar de maneira gráfica o ambiente em 3D (mediante o programa Smokeview do NIST ou o visualizador do Pyrosim) representando o fumo e as chamas gerados, a evolução de propriedades como temperaturas, velocidades, obscurecimento dos fumos (ou alternativamente a visibilidade), concentração de produtos tóxicos da combustão em planos horizontais ou verticais ou em coloração em 3D. Estes gráficos permitem ao projectista analisar o comportamento do edifício, os seus sistemas de evacuação de fumo e controlo de temperatura, o desenvolvimento de uma possível evacuação ou intervenção de bombeiros.

Nas seguintes imagens pode ver-se um recinto ferial de 17 m de altura e 23.000 m² com aspersores e sistema de evacuação de fumos por ventilação mecânica, no qual se observam as condições no tempo para um fogo alto de 25 MW segundo a UNE 23585 que termina activando 33 aspersores.